帕爾貼發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

施棟

【摘 要】帕爾貼發(fā)電是一種半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)，也是一種清潔綠色的發(fā)電技術(shù)，符合當(dāng)代能源發(fā)展的要求。為了實(shí)時(shí)反應(yīng)出電壓的大小等參數(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種開源單片機(jī)arduino為核心的帕爾貼溫差發(fā)電系統(tǒng)。該控制器利用DS18B20溫度傳感器分別對(duì)帕爾貼的冷端和熱端的溫度進(jìn)行檢測，并能在OLED顯示屏上顯示相關(guān)信息，從而能達(dá)到實(shí)時(shí)反應(yīng)帕爾貼發(fā)電參數(shù)的目的。并且能通過開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)單片機(jī)和對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行充電這兩種功能之間切換。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，測試采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，發(fā)電效率優(yōu)秀，有比較大的推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】綠色能源；低功耗；Arduino單片機(jī)；DS18B20溫度傳感器；充電功能

隨著21世紀(jì)的到來，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，隨之而來的也是環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。因此，更多的綠色能源如太陽能、地?zé)?、化學(xué)能也越來越多的進(jìn)入人們的視線。而這其中熱能和電能的轉(zhuǎn)換仍然是當(dāng)代能源轉(zhuǎn)換的主流。

溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保的能源技術(shù)。這種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式無噪音、無磨損、無污染物排放、體積小、重量輕、攜帶方便、使用壽命長、無需人工維護(hù)?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)在國外已廣泛應(yīng)用于航天和軍事等領(lǐng)域[1]。因此，本文旨在設(shè)計(jì)一套傳感器與帕爾貼發(fā)點(diǎn)片結(jié)合的的設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)對(duì)arduino單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)和對(duì)額定電壓為5V的設(shè)備充電功能。

1 本設(shè)計(jì)任務(wù)和總體方案

1.1 發(fā)電原理

1.2 模塊介紹

本設(shè)計(jì)是基于arduino控制下的溫差發(fā)電方案，分別對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電、電路升壓穩(wěn)壓及控制設(shè)備的軟硬件各個(gè)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

本文設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案主要是依靠帕爾貼發(fā)電模塊產(chǎn)生的電壓通過5VDC-DC的升壓穩(wěn)壓模塊后產(chǎn)生的電壓來通過兩個(gè)開關(guān)能手動(dòng)選擇驅(qū)動(dòng)arduino單片機(jī)的工作或是給外部的設(shè)備進(jìn)行充電。若選擇了驅(qū)動(dòng)arduino的工作，單片機(jī)會(huì)接收來自DS18B20溫度傳感器帕爾貼冷熱端溫度，將數(shù)據(jù)送至arduino單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算溫差，并能通過arduino的A1端口對(duì)帕爾貼產(chǎn)生的電壓值進(jìn)行測量，最后把這些數(shù)據(jù)值都能顯示在OLED顯示屏上。同樣還可以通過手動(dòng)控制開關(guān)來實(shí)現(xiàn)給外接USB接口提供5V直流電源。設(shè)計(jì)方案有以下幾個(gè)模塊組成：帕爾貼溫差發(fā)電模塊，5VDC-DC升壓穩(wěn)壓模塊，Arduino uno單片機(jī)模塊，DS18B20溫度傳感器模塊，OLED液晶顯示器模塊，USB外接充電模塊。設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 核心控制模塊

本控制器的核心是一款開源的單片機(jī)arduino uno。它的核心處理器是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。本設(shè)計(jì)中使用從A1引腳讀取數(shù)據(jù)值。Arduino板包含一個(gè)6通道，10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這意味著它將0至5伏特之間的輸入電壓映射到0至1023之間的整數(shù)值。這將產(chǎn)生讀數(shù)之間的關(guān)系：5伏特/1024單位，或0.0049伏特（4.9mV）每單位。它需要大約100微秒（0.0001）來讀取模擬輸入，所以最大的閱讀速度是每秒10000次。

2.2 采樣模塊

采樣模塊即為帕爾貼發(fā)電模塊。該模塊利用塞貝克效應(yīng)，如圖3所示，人們常將一定數(shù)量的半導(dǎo)體電偶臂對(duì)串聯(lián)起來制成溫差發(fā)電模塊，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在熱端連接，則在冷端可得到一個(gè)電壓，P型和N型半導(dǎo)體交替連接形成模塊。這樣做的目的是為了利用P型與N型半導(dǎo)體產(chǎn)生的塞貝克電壓極性相反的性質(zhì)，從而來實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電模塊熱學(xué)上的并聯(lián)和電學(xué)上串聯(lián)的目的[3]。

2.3 顯示模塊

在數(shù)據(jù)的顯示部分，由于帕爾貼發(fā)電模塊產(chǎn)生的功率有限，因此本設(shè)計(jì)采用超低功耗的0.96寸OLED來對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。除了超低功耗之外，有機(jī)發(fā)光二極管顯示器（OLED）具有自發(fā)光、強(qiáng)對(duì)比、大色域、廣視角、快響應(yīng)、高效率、低電壓等優(yōu)點(diǎn)，而且適用環(huán)境廣、面板厚度薄、制程簡單、可制作大尺寸與柔性面板，被譽(yù)為下一代的“夢幻顯示器”[4]。由于I/O口充足，本文采用SPI接法，除去GND和VCC之外，將剩下的SDA、CLK、DC、RESET分別與數(shù)字端口9、10、11、12相連，從而實(shí)現(xiàn)arduino對(duì)于OLED的驅(qū)動(dòng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要是利用Arduino配套的開發(fā)工具Arduino IED進(jìn)行工程開發(fā)，使用該軟件能夠進(jìn)行程序的編譯，單步，全速調(diào)試，簡單易用，本設(shè)計(jì)中程序主要是由采樣、顯示和驅(qū)動(dòng)三部分組成。程序開始，先進(jìn)行初始化階段，其中包括定義引腳、寫字模和調(diào)用庫的過程。隨后，單片機(jī)發(fā)送命令讀取電壓溫度的模擬值，然后對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣處理，得出數(shù)字量，最后調(diào)用Display函數(shù)輸出電壓和溫度值。

4 硬件調(diào)試

上電后即將程序下載到Arduino uno，系統(tǒng)可以（下轉(zhuǎn)第295頁）（上接第301頁）正常的工作。通過熱電阻絲給帕爾貼發(fā)電模塊加熱，升壓穩(wěn)壓模塊的紅色指示燈隨著溫差的加大逐漸由暗變亮。閉合開關(guān)S2，用手機(jī)數(shù)據(jù)線連接外接USB接口，手機(jī)上能正確顯示正在充電中。斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，單片機(jī)能驅(qū)動(dòng)OLED和DS18B20正常工作，OLED上面能準(zhǔn)確顯示溫差（temperature）以及電壓值（voltage）大小。經(jīng)過反復(fù)多次測試，系統(tǒng)的響應(yīng)及時(shí)，穩(wěn)健。

5 結(jié)語

報(bào)告分析認(rèn)為，目前化石能源在一次性能源消費(fèi)量中占絕對(duì)優(yōu)勢，太陽能、生物質(zhì)能等綠色能源飛速發(fā)展領(lǐng)跑世界、趕超煤電，綠色能源取代化石能源是世界也是中國大勢所趨[5]。作為半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)，類似于帕爾貼發(fā)電等綠色能源技術(shù)也會(huì)越來越成為未來的主流。而將發(fā)電設(shè)備與單片機(jī)、傳感器等設(shè)備相結(jié)合能更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)能源參數(shù)的監(jiān)測或者控制，這也將會(huì)給能源問題帶來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一些好處，利于能源問題的解決。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姜曉麗.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[D].大連理工大學(xué)，2009.

[2]許志建，徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2004（01）.

[3]楊素文.中低溫溫差發(fā)電器系統(tǒng)性能研究[D].重慶大學(xué)，2012.

[4]陳知新.OLED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路的研究[D].西安理工大學(xué)，2010.

[5]林智欽，林宏贍.2011中國能源環(huán)境發(fā)展研究——綠色能源：引領(lǐng)未來[J].中國軟科學(xué)，2011，S1：49-60.

[責(zé)任編輯：劉展]